嵌入式系统-第五章-异常及编程课件.ppt

1、第五章第五章 异常及编程异常及编程5.1 ARM的异常的异常5.2 复位及编程复位及编程5.3 SWI中断处理程序中断处理程序5.4 FIQ和和IRQ中断处理程序中断处理程序5.1 ARM的异常的异常 程序正常执行流程中，程序计数器在其地址范围内连续增加，还可以跳转至附近程序标号或跳转并链接到子程序。当该常规执行流程被转向到启用处理器处理内部或外部资源产生的事件时，即发生了处理器异常。l外部产生的中断；l处理器试图执行一个未定义的指令；l访问有特权的操作系统函数。处理此类异常时，有必要保护处理器先前的状态，以保证在完成相应的异常处理例程后能够恢复产生异常时程序运行的状态，使其继续执行。异常异常

2、 说说 明明复位在处理器复位管脚有效时发生。该异常仅在处理器上电时或上电后的复位时才发生。可通过跳转到复位向量（0 x0000）来完成软复位。未定义指令在处理器或协处理器均不能识别当前指令时发生。软件中断（SWI）这是一个用户定义的同步中断指令。它使得在USER模式下运行的程序能够请求在Supervisor模式下运行的特权操作，如：RTOS函数等。预取指中断在处理器试图执行一个未取指令时发生，因为地址非法。数据中断在数据传送指令试图在非法地址存储数据时发生。IRQ在处理器外部中断引脚低电平有效且CPSR的I位为0时发生。FIQ在处理器外部中断引脚低电平有效且CPSR的F位为0时发生。ARM处理

3、器模式处理器模式处理器模式处理器模式说说 明明备备 注注USER正常程序运行的工作模式不能直接切换到其它模式特权模式SYS用于支持操作系统的特权任务等可直接切换到其它模式异常模式SVC操作系统使用的一种保护模式在系统重启重启和复位复位时，才进入此模式FIQ快速中断请求处理只有在FIQ异常响应时，才进入此模式IRQ中断请求处理只有在IRQ异常响应时，才进入此模式ABT用于虚拟内存和存储器保护在ARM7内核中没有用UND支持软件仿真的硬件协处理器只有在未定义指令异常响应时，才进入此模式ARM异常处理过程异常处理过程ARM产生异常时，在任何情况下处理异常的方法都是一样的，即：（1）通过将PC拷贝到R

4、14_exc以及将CPSR拷贝SPSR_exc来保存当前的状态（exc表示异常类型）。（2）将处理器操作模式改变为适当的异常模式。（3）禁用中断。（4）将PC强制变为00H1CH范围内某个与异常类型有关的特殊值（向量地址）。这个向量地址是指向异常处理程序的转移指令也即开始执行异常处理程序。从异常处理程序的返回从异常处理程序的返回从异常返回的方法取决于该异常处理程序使用不使用堆栈操作。通常情况下，异常处理的返回必须：l从SPSR_exc恢复CPSR；l使用R14_exc（LR）中的返回地址恢复程序计数器PC。l不必从复位处理程序返回，因为复位处理程序直接执行主代码。如果异常处理程序使用了堆栈，可

5、以通过使用一条装载多个带限定符的指令来返回。LDMFDSP！，R0R12，PC 限定符指定从SPSR_exc恢复CPSR。从从SWI和未定义指令异常处理程序返回和未定义指令异常处理程序返回 SWI和未定义指令异常是由指令本身造成的，因此，处理异常时，处理器将(PC-4)存储在R14_exc中。因而使R14_exc指向下一条要执行的指令。要从R14中恢复程序计数器，则使用：MOVS PC，R14从处理程序返回控制权。将返回地址推入堆中并在返回时将其弹出的处理程序入口和出口代码为：STMFD SP!，reglist，R14;.LDMFD SP!，reglist，PC 从从FIQ和和IRQ中断中断处

6、理程序返回处理程序返回执行完每一条指令后，处理器检测中断管脚是否为 LOW（电平），以及 CPSR中断禁用位是否为清除。结果，仅在程序计数器被更新后才发生 IRQ 或 FIQ 异常。处理器将(PC-4)存储在R14_exc中。使R14_exc指向发生异常时尚未完成的一条指令。处理程序完成后，必须从 R14_exc指向的上一条指令处继续运行。该继续执行地址较R14_exc中的地址少一个字（四个字节），因此，其返回指令为：SUBS PC，R14，#4将返回地址压入栈中并在返回时将其弹出的处理程序入口和出口代码为：SUB R14，R14，#4STMFD SP!，reglist，R14;.LDMFD

7、SP!，reglist，PC 对于发生在 Thumb 状态下的异常，处理程序返回指令(SUBS PC，R14，#4)改变了程序计数器，将其指向下一条要执行指令的地址。由于程序计数器的更新是在处理异常之前完成，下一条指令应在(PC-4)。因此，处理器存储在R14_exc的值为PC。安装异常处理程序安装异常处理程序必须将任何新的异常处理程序安装在向量表中。安装完成后，不论什么时候产生相应的异常，都会执行新的处理程序。在复位时安装处理程序在复位时安装处理程序如果ROM是在存储器的0 x00位置，则可在代码的起始处为每个向量分配一个跳转语句。如果FIQ处理程序是直接从0 x1C运行的，则也可将FIQ处

8、理程序包含在其中（见下面示例）。示例展示了如果它们位于ROM的零地址时建立向量的代码。可替换装入的跳转语句。Vector_Init_BlockLDR PC，Reset_AddrLDR PC，Undefined_AddrLDR PC，SWI_AddrLDR PC，Prefetch_AddrLDR PC，Abort_AddrNOP;Reserved vectorLDR PC，IRQ_AddrLDR PC，FIQ_AddrReset_Addr DCD Start_BootUndefined_Addr DCD Undefined_HandlerSWI_Addr DCD SWI_HandlerPrefe

9、tch_Addr DCD Prefetch_HandlerAbort_Addr DCD Abort_HandlerDCD 0;Reserved vectorIRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_Handler复位状态下，必须使ROM处在0 x0位置。复位代码可将RAM映射到0 x0位置。这样做之前，它需从ROM的某个区域将该向量（根据需要还有FIQ处理程序）复制到RAM中。在此情况下，必须用一条LDR PC指令为复位处理程序确定地址，以便使复位向量代码能独立定位。示例将上面示例给出的向量复制到了RAM中的向量表。MOV R8，#0ADR R9，Vec

10、tor_Init_BlockLDMIA R9!，R0-R7;Copy the vectors(8 words)STMIA R8!，R0-R7LDMIA R9!，R0-R7;Copy the DCDed addressesSTMIA R8!，R0-R7;(8 words again)从从C安装处理程序安装处理程序开发过程中有时必需从主应用程序直接将异常处理程序安装在向量中。结果，所需的指令编码必须被写到相应的向量地址中。这可由跳转和载入PC两种方法来转到该处理程序。跳转方法：跳转方法：1.获取异常处理程序的地址。2.减去相应向量的地址。3.减去0 x8以便预取。4.将结果右移两位给出一个字的偏移

11、，而不是一个字节的偏移。5.测试其高八位为清除，确保结果仅为24位长（因为跳转的偏移被限制为此长度）。6.把它与0 xEA000000（跳转指令操作码）进行逻辑“或”运算，生成要放在向量中的值。/*Updates contents of vector to contain branch instruction*/*to reach routine from vector.Function return value is*/*original contents of vector.*/*NB:Routine must be within range of 32MB from vector.*/u

12、nsigned Install_Handler(unsigned routine,unsigned*vector)unsigned vec,oldvec;vec=(routine-(unsigned)vector-0 x8)2);if(vec&0 xFF000000)/*diagnose the fault*/prinf(Installation of Handler failed);exit(1);vec=0 xEA000000|vec;oldvec=*vector;*vector=vec;return(oldvec);以下代码调用它来安装 IRQ 处理程序：unsigned*irqvec=

13、(unsigned*)0 x18;Install_Handler(unsigned)IRQHandler,irqvec);在此情况下，将丢弃返回的初始 IRQ 向量内容。装入装入 PC 方法：方法：所需的指令可按如下方法构成：1.获取包含异常处理程序地址那个字的地址。2.减去相应向量的地址。3.减去 0 x8 以便预取。4.检查其结果能否用 12 位表示。5.把它与 0 xe59FF000（LDR pc,pc,#offset 的操作码）进行逻辑“或”运算，生成要放在向量中的值。6.将异常处理程序的地址放入该存储位置。示例展示了实现了该方法的 C 例程。/*Updates contents of

14、 vector to contain LDR pc,pc,#offset*/*instruction to cause long branch to address in location.*/*Function return value is original contents of vector.*/unsigned Install_Handler(unsigned location,unsigned*vector)unsigned vec,oldvec;vec=(unsigned)location-(unsigned)vector-0 x8)|0 xe59ff000;oldvec=*ve

15、ctor;*vector=vec;return(oldvec);以下代码调用它来安装 IRQ 处理程序：unsigned*irqvec=(unsigned*)0 x18;static unsigned pIRQ_Handler=(unsigned)IRQ_handlerInstall_Handler(&pIRQHandler,irqvec);在此示例中，返回的初始IRQ向量内容被再次被丢弃，但可用它来创建一系列处理程序。复位处理程序复位处理程序复位处理程序实施的操作取决于所开发软件的运行系统。例如，可以是：设置异常向量。初始化堆栈指针和寄存器。如果使用 MMU，初始化存储器系统。初始化任何关键

16、 I/O 设备。激活中断。改变处理器模式和/或状态。初始化 C 语言和调用主应用程序所需的变量。栈指针初始化栈指针初始化复位处理程序最少必须为应用程序所使用的任何执行模式的栈指针分配初始值。在示例中，栈位于stack_base地址。并为FIQ和IRQ模式分配了256字节的栈，也可对其它执行模式这么做。为了设置栈指针，进入每种模式（中断禁用）并为栈指针分配适合的值。要利用软件栈检查，也必须在此设置栈限制。复位处理程序中设置的栈指针和栈限制值由C库初始化代码作为参数自动传递给 _user_initial_stackheap()。因此，不允许 _user_initial_stackheap()更改这

17、些值。;-Amount of memory(in bytes)allocated for stacksLen_FIQ_Stack EQU 256Len_IRQ_Stack EQU 256Offset_FIQ_Stack EQU 0Offset_IRQ_Stack EQU Offset_FIQ_Stack+Len_FIQ_StackReset_Handler;stack_base could be defined above,or located in a description file LDR r0,stack_base;Enter each mode in turn and set up

18、the stack pointerMSR CPSR_c,#Mode_FIQ:OR:I_Bit:OR:F_BitSUB SP,r0,#Offset_FIQ_StackMSR CPSR_c,#Mode_IRQ:OR:I_Bit:OR:F_BitSUB SP,r0,#Offset_IRQ_Stack;Set up stack limit if neededLDR R10,stack_limit5.3 SWI中断处理程序中断处理程序进入 SWI 处理程序时，必须设定哪个 SWI 将被调用。该信息可存储在指令本身的 0-23 位，或将其传递到一个整数寄存器，通常为 r0-r3 中的一个。最高层的 SWI

19、 处理程序可载入与链接寄存器关联的 SWI 指令(LDR swi,lr,#-4)。处理程序必须首先将导致异常的 SWI 指令装入寄存器。在这一点上，lr_SVC 存储着 SWI 指令的下一个指令的地址，因此 SWI 使用下面的指令被载入到了寄存器（此例中为 r0）：LDR r0,lr,#-4然后，处理程序可检查字段位，以决定所需的操作。通过清除操作码的高八位来提取 SWI 编号。BIC r0,r0,#0 xFF000000示例 展示了如何将这些指令结合形成一个最高层的 SWI 处理程序。AREA TopLevelSwi,CODE,READONLY EXPORT SWI_HandlerSWI_H

20、andlerSTMFD sp!,r0-r12,lr;Store registers.LDR r0,lr,#-4;Calculate address of SWI instruction and load it into r0.BIC r0,r0,#0 xff000000;Mask off top 8 bits of instruction to give SWI number.;Use value in r0 to determine which SWI routine to execute.LDMFD sp!,r0-r12,pc;Restore registers and return.EN

21、D汇编语言编写的汇编语言编写的SWI处理程序处理程序调用所需 SWI 编号的处理程序，最简单的方法是使用跳转表。如果 r0 中有 SWI编号，本例中的代码可被插在上页的示例里给出的最高层处理程序中，插入位置在 BIC 指令之后。CMP r0,#MaxSWI;Range checkLDRLS pc,pc,r0,LSL#2B SWIOutOfRangeSWIJumpTableDCD SWInum0;DCD for each of other SWI routinesDCD SWInum1SWInum0;SWI number 0 codeB EndofSWISWInum1;SWI number 1

22、codeB EndofSWI;Rest of SWI handling code;EndofSWI;Return execution to top levelSWI handler so as to restore registers and return to program.在超级用户模式下使用在超级用户模式下使用SWI当执行 SWI 指令时：1.处理器进入超级用户模式2.CPSR 被存储在 spsr_SVC 中。3.返回地址被存储在 lr_SVC 中。如处理器已经处在超级用户模式下，lr_SVC 和 spsr_SVC 被破坏。在超级用户模式下，如果调用 SWI，则需存储 lr_SVC 和

23、 spsr_SVC，以确保链接寄存器和 SPSR 中的初始值不被丢失。例如，一个特定 SWI 编号的处理程序例程调用了另一个 SWI，必须确保该该处理程序例程将 lr_SVC 和 spsr_SVC 存储在堆中。它确保了处理程序的每一次调用都保存了返回到调用 SWI 指令所需要的信息。示例展示了如何实现的方法。STMFD sp!,r0-r3,r12,lr;Store registers.MOV r1,sp;Set pointer to parameters.MRS r0,spsr;Get spsr.STMFD sp!,r0;Store spsr onto stack.This is only r

24、eally needed in case of nested SWIs.LDR r0,lr,#-4;Calculate address of SWI instruction and load it into r0.BIC r0,r0,#0 xFF000000;Mask off top 8 bits of instruction to give SWI number.;r0 now contains SWI number;r1 now contains pointer to stacked registersBL C_SWI_Handler;Call C routine to handle th

25、e SWI.LDMFD sp!,r0;Get spsr from stack.MSR spsr_cf,r0;Restore spsr.LDMFD sp!,r0-r3,r12,pc;Restore registers and return.系统模式系统模式 发生处理器异常时，当前程序计数器被复制到异常模式的链寄存器中，CPSR 被复制到该异常模式的 SPSR 中。然后，CPSR 以与异常相关的方式被改变，程序计数器被设置到一个异常定义的地址，开始执行异常处理程序。改变程序计算器前，ARM 子例程调用指令(BL)将返回地址复制到 r14 中，因而，子例程返回指令将 r14 移动到 PC(MOV p

26、c,lr)。所有这些动作说明，处理异常的 ARM 模式必须确保如果其调用子例程，不会产生另一个同类型的异常，因为该子例程的返回地址被异常的返回地址所覆盖。在早期版本的 ARM 体系结构中，解决这个问题的方法是尽量避免在异常模式下进行子例程调用或避免从特权模式改为用户模式。第一个解决方法限制太大，第二个则说明可能不允许任务具有其正确运行所要的特权存取。ARM 体系结构版本 v4 和更新版本提供了一个被称为 system（系统）模式的处理器模式来克服这个问题。系统模式是一个有特权的处理器模式，该模式共享用户模式的寄存器。可在该模式下运行特权模式任务，且异常不再覆盖链接寄存器。备注：异常不能进入系统模式。异常处理程序修改 CPSR 以便进入系统模式。